摘要：概述了直接空冷凝汽器异形翅片的研究背景和现状。对三种不同的异形翅片提出了用PIV（粒子成像测速仪）进行流场观测的试验方法，介绍了PIV测量系统、风洞试验系统、试验段翅片模型。详细说明了PIV测量原理、示踪粒子的选择、实验参数计算、三种异化翅片模型（开孔型翅片、波纹型翅片和安装涡流发生器的翅片）尺寸等。通过实验的方法总结分析各种异形翅片强化传热的机理，有利于选择强化传热的翅片形式，对直接空冷凝汽器的设计及优化机组运行有重要意义。
关键词：波纹型翅片，开孔型翅片，涡流发生器，流场可视化
1.研究背景
翅片管是空冷器的核心和关键元件，深入了解翅片管管外空气侧的流动与传热特性，寻求各种传热强化途径，成为提高空冷凝汽器的换热性能和降低轴流风机功耗的基础[2]。对翅片表面增加涡流发生器来强化传热，也成为学者们关注一种强化传热方式[1-8]。
本文介绍了实验方法观测翅片的流场，即用PIV（粒子成像测速仪）对3种不同翅片形式（即波纹型，开孔型和安装涡流发生器）的流场进行观察和对比，以提出更有效，更经济的强化传热措施。
2.流动显示实验
2.1 实验参数
由于本实验为冷态实验，特征参数为雷诺准则数Re。
其中，u为翅片间空气流速，l为模型的特征尺寸，ν为空气的运动粘度
由于换热器中翅片间距很小，翅片本身的厚度占一定比例，翅片间的空气速度与来流空气速度不同，所以u不能直接拿来流风速计算。特征尺寸l=（4×翅片间通道截面面积）/翅片间通道截面周长
本实验的Re范围是600～3000。
2．2 实验系统
实验系统是由PIV 测量系统和风洞模拟系统装置组成，下面就对这两部分系统进行详细的介绍
2.2.1 PIV测量系统
PIV技术将定性的流动显示和定量的速度场测量集于一身，并应用光学图像技术、图像处理技术、计算机技术等当今先进的测试技术，通过在流体中撒播示踪粒子,并利用图像处理技术分析粒子图像的位移而得到激光片光平面内多点的速度矢量[9]。
PIV 系统的控制和数据分析是Insight 3D 9.0软件。该软件对采集到的图像进行互相关统计分析,可得到流动的瞬时速度场和涡量场等。其基本原理是:将获得的两帧单次曝光的粒子图像按相同网格划分成小的查问区,通过对各查问区内的粒子图像进行互相关分析,获得该区的速度矢量,进而得到全场的速度矢量。
成功进行PIV实验的一个关键要素是示踪粒子的选择和施放。。对示踪粒子的要求,不仅要满足无毒、无腐蚀、稳定等,还要满足流动跟随性和散光性等要求。要使粒子的流动跟随性好,就需要粒子的直径较小,但这会使粒子的散光性降低,不易成像。因此在选取粒子时需要综合考虑各个因素。总之,粒子选取的原则为:粒子的密度尽量等于流体的密度,粒子的直径要在保证散射光强的条件下尽可能小[10]。
为了保证PIV 测量的准确性,实验参数的选择和控制必须遵循一定的规则。根据PIV 系统的测量参数控制准则以及相关统计分析方法的原理,需要预先估计流动的速度范围,并按照被测流场区域的大小和“跨帧”要求选定激光的脉冲能量、脉冲时间间隔、脉冲延迟时间以及查问区大小和示踪粒子的撒播密度等一系列参数,并在实验过程中不断调整[11]。
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2.1.2 风洞模拟装置
本实验拟在吸风式风洞内进行。整个风洞包括进口段、稳定段、第一收缩段、整流段、测试段、收缩段、实验段、扩散段、出口段、变频风机等。空气和烟雾发生器发生的烟雾混合后从喇叭口进入风洞。通过变频器控制风机转速，从而控制空气流速。
为了便于观察，整个风洞装置由有机玻璃制成， 图三为试验段示意图，试验段长宽高分别为600mm、90mm、300mm。翅片的尺寸是按照某电厂实际翅片尺寸扩大2.4倍，在模型设计中, 翅片形状要求几何相似, 而对其厚度未作相应放大。
实验中，激光从侧面打入翅片间隙，CCD相机从试验段上部进行拍摄，由于通道高度较小，这样的布置可以避免由于激光在有机玻璃上的反射而导致的流场图片太亮显示不出流场。同时，铝翅片上表面涂一层黑色的哑光漆，也是为了防止铝翅片的反光。
2.2.2 实验模型
本实验的模型翅片分为波纹型翅片，开孔型翅片和安装涡流发生器型翅片三种。
波纹型翅片的简化模型，在翅片总长度方向布置了20个波纹，单个波纹长度为22.6mm，波纹角a分别取10°、20°、30°和45°
安装涡流发生器的翅片模型，三角翼是在翅片上掀起来。视野方向为主视和俯视方向，在水平长度方向布置了10对三角翼。三角翼高度为6mm，翼对间距为33mm，翼间距为9.5mm，三角翼与水平方向的夹角a分别取30°、45°、60°
开孔型翅片模型，视野方向为正视和俯视，开孔方式也为掀起式，布置方式为两排，一排十个孔，排间距为10mm，孔水平间距为45mm，孔的尺寸为7mm×7mm。
3 结论
波纹型翅片是在平直翅片的基础上压成一定的波纹, 横截面形状类似于平直翅片。这种波纹形结构导致了很复杂的流动，使流体在弯曲流道中不断地改变流动方向，以促进流体的湍流，从而强化传热
对于涡流发生器，在流体流过三角翼时，将会产生纵向漩涡，沿主流能持续卷吸破坏边界层,改变速度场和温度场的协调性，从而强化传热。
穿孔型翅片是在翅片表面换热薄弱的区域掀矩形孔。其强化机理在于可以增强扰动, 破坏边界层的发展, 从而提高换热系数, 以弥补面积损失。
总之，三种异性翅片形式都能起到强化传热的作用。目前，电厂直接空冷凝汽器采用的翅片形式多是平直翅片，从电厂节能和经济性两方面考虑异性翅片的选择是优化机组运行的一个重要方向。
参考文献
[1]马义伟 编著，空冷器设计与应用，哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1998
[2]张来、杜小泽、杨立军、冯丽丽、杨勇平，开孔矩形翅片椭圆管流动与换热特性的数值研究，工程热物理学报，2006，27（6）：990-992
[3]林宗虎、汪军、李瑞阳、崔国民等著，强化传热技术，北京：化学工业出版社，2007
[4] T.-M. Liou, C.-C. Chen, T.-W. Tsai, Heat Transfer and Fluid Flow in a Square Duct With 12 Different Shaped Vortex Generators, Journal of Heat Transfer，122（2000）327-335
[5]黄军、王令、王秋旺、黄彦平，纵向涡发生器传热强化的研究进展，动力工程， 2007，27（2）: 211—217
论文作者:张国强,邵世宽,郑庆宇,龙源,云昆,王彦彦
论文发表刊物:《电力设备》2017年第3期
论文发表时间:2017/4/26
标签：翅片论文; 粒子论文; 波纹论文; 发生器论文; 风洞论文; 涡流论文; 凝汽器论文; 《电力设备》2017年第3期论文;